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Im Trend: Fluoreszenz-Nachttauchgänge

Hintergründe, Grundlagen und Technik

Einleitung

Fluoreszenz-Nachttauchgänge erfreuen sich in letzter Zeit zunehmender Beliebtheit. Immer mehr Tauchbasen bieten Fluoreszenz-Nachttauchgänge an [1], und immer mehr Anbieter von entsprechender Ausrüstung erscheinen auf dem Markt [2]. Ein besseres Verständnis der Grundlagen und Hintergründe erlaubt es, mehr von diesem überwältigenden Erlebnis zu haben (einige sagen, Fluoreszenz-Tauchen gäbe das Gefühl, mitten im Film „Avatar“ von Regisseur James Cameron zu sein), und auch, bei den Anbietern die Spreu vom Weizen zu trennen.

James Cameron [3], der auch u.a. bei den berühmten Filmen „Terminator“, „Aliens“, „Abyss“ und „Titanic“ Regie geführt hat, ist selbst ein begeisterter Taucher: Er ist mehrmals persönlich zum Wrack der Titanic getaucht, und war am 26. März 2012 als dritter Mensch überhaupt auf dem Grunde der tiefsten Stelle des Meeres, dem Marianengraben, knapp 11 km unter dem Meeresspiegel. Es ist gut möglich, daß James Cameron Bilder und Videosequenzen von Fluoreszenz-Nachttauchgängen bekannt waren und er sich davon inspirieren ließ, als er den Film „Avatar“ schuf.

Fluoreszenz ist dabei der von manchen Stoffen gezeigte physikalische Effekt, daß Licht mit hoher Energie (und somit kurzer Wellenlänge) absorbiert und (normalerweise innerhalb weniger Nanosekunden) als Licht mit niedrigerer Energie (und somit längerer Wellenlänge) wieder abgegeben wird (siehe Abb. 1). Alternativ können jedoch z.B. auch hochbeschleunigte Elektronen die nötige Anregungsenergie liefern (z.B. in Bildschirmröhren).

[Abb. 1]
Abb. 1 - Schema zur Entstehung von Fluoreszenz

Dieses Phänomen tritt nicht nur bei Lebewesen auf, sondern auch bei Mineralien (vom Mineral „Fluorit“ bzw. „Flußspat“ oder Kalziumfluorid CaF2 kommt dabei übrigens der Name) und interessanterweise auch bei versteinerten Fossilien [4].

Über die optimalen Wellenlängen zur Anregung der Fluoreszenz von Unterwasserlebewesen wird übrigens später in diesem Artikel noch einiges zu sagen sein.

Fluoreszenz ist nicht zu verwechseln mit Phosphoreszenz (das ist die Fähigkeit Licht zu speichern und über einen längeren Zeitraum wieder abzugeben, wie beispielsweise bei vielen Tauchinstrumenten) oder mit Bio-Lumineszenz (das ist die unter Verbrauch von Energie betriebene aktive Erzeugung von Licht durch Lebewesen mit Hilfe geeigneter „Brennstoffe“ und Enzyme, genannt Luziferin und Luziferase).

Die Phosphorbeschichtung der Innenseite von Bildschirmröhren und Leuchtstoffröhren („Neon-Röhren“) sorgt sowohl für Fluoreszenz (die Energie beschleunigter Elektronen bzw. von UV-Licht wird in sichtbares Licht umgewandelt) als auch Phosphoreszenz (das bekannte Nachleuchten). Deswegen nennt man das Licht von Leuchtstoffröhren auch oft Fluoreszenzlicht (z.B. in der Einstellung des Weißabgleichs einer digitalen Kamera). Im folgenden sprechen wir jedoch ausschließlich von „Leuchtstoffröhren“ und meinen dagegen mit „Fluoreszenzlampen“ oder -leuchten ausschließlich Tauchlampen mit UV- oder blauem Licht.

Geschichte

Die Fähigkeit von Meereslebewesen zur Fluoreszenz wurde, soweit wir wissen [5], zuerst 1927 von einem gewissen Herrn Charles E.S. Phillips am Strand von Torbay in England entdeckt. Ihm fielen einige Anemonen in einem Gezeitentümpel auf, die eine besonders leuchtende grüne Farbe besaßen. Er nahm einige davon mit und untersuchte sie mit Hilfe einer Lichtquelle und einem „Wood's Glass“ genannten Filter [6], welcher sichtbares Licht absorbiert und nur UV-Licht durchlässt, und wies so die Fähigkeit dieser Anemonen zur Fluoreszenz nach.

In den 1930er Jahren untersuchte der japanische Meeresbiologe Siro Kawaguti die Pigmente von Korallen und entdeckte, daß das am häufigsten vorkommende Pigment grün fluoreszierte.

Ab den 1950er Jahren entdeckten Taucher die Fluoreszenz für sich:

1951-1961 baute Dr. Richard G. Woodbridge III (auch bekannt für seine von antiken Tongefäßen gewonnenen Tonaufnahmen) sich eigene Unterwasser-Schwarzlichtlampen und schrieb Artikel im „Skin Diver“ Magazin über seine Entdeckungen in den kalten Gewässern des Atlantiks vor Maine.

Luis Marden, ein Fotograf für das National Geographic Magazin und Entdecker des Wracks der berühmten „H.M.S. Bounty“, berichtete 1956, daß er rote Anemonen in einer Tiefe von 18 Metern gefunden hatte, obwohl es in dieser Tiefe kein rotes Licht mehr geben dürfte. Die rote Farbe verschwand in Blitzlichtaufnahmen, und Marden zog daraus korrekt den Schluß, daß dieser Effekt auf Fluoreszenz beruhte. Abb. 2 zeigt eine solche rote Anemone in derselben Tiefe.

[Abb. 2]
Abb. 2 - Rot fluoreszierende Anemone bei Tageslicht

1963 erwarb Sir Arthur C. Clarke [7], ein bekannter Taucher und Science Fiction-Autor (z.B. des Films „2001: Odyssee im Weltraum“), Fluoreszenz-Leuchten von Dr. Richard G. Woodbridge III und beschrieb seine Erfahrungen damit z.B. in seinem Science-Fiction-Roman „Die Delphininsel“ [8].

1955 wurde das später „Green Fluorescent Protein“ (GFP) getaufte Pigment erstmals beschrieben und als Protein erkannt. 1962 wurde es erstmals aus 10.000 Exemplaren der Qualle „Aequorea victoria“ isoliert. 2008 wurde Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Tsien, die unabhängig voneinander auf diesem Gebiet gearbeitet hatten, gemeinsam der Nobelpreis für Chemie verliehen „für die Entdeckung und Entwicklung des Green Fluorescent Protein, GFP“ [9].

GFP und seine Derivate (inzwischen gibt es sie in allen Farben des Regenbogens) besitzen viele Anwendungen in der Molekularbiologie, Genetik und Medizin, zum Beispiel in der Reproduktionsmedizin, wo es eine Untersuchungsmethode namens „Fluorescence In-Situ Hybridization“ (oder abgekürzt FISH) gibt, welche es erlaubt, beispielsweise in der Präimplantationsdiagnostik oder PID fehlende oder überzählige Chromosomen (sogenannte „Aneuploidien“ wie z.B. Trisomie 21 oder „Down“-Syndrom) von Embryonen zu erkennen.

1959 führte Rene Catala, Direktor am Noumea Aquarium in Neu-Kaledonien, erstmals systematische Untersuchungen an fluoreszierenden Korallen mit Hilfe von UV-Licht durch und baute in seinem eigenen Aquarium sowie in Antwerpen in Belgien Schaubecken mit fluoreszierenden Korallen auf. Aquarien mit Fluoreszenzbeleuchtung („Aktinischer Beleuchtung“) sind seitdem eine nicht mehr wegzudenkende Attraktion, sowohl in Aquarien und Zoos weltweit als auch unter Aquarianern zuhause. Dies wird uns später in diesem Artikel noch beschäftigen.

In den 1970er Jahren begann Dr. Charles H. Mazel mit wissenschaftlichen Untersuchungen der Unterwasser-Fluoreszenz. In einem - eher außergewöhnlichen - Projekt untersuchte er die Möglichkeit, Marinetauchern bei nächtlichen Einsätzen mit Hilfe von starken Ultraviolett-Lampen das Sehen zu ermöglichen ohne selbst durch verräterischen Lichtschein von der Oberfläche aus gesehen zu werden, was jedoch mißlang aufgrund der Fluoreszenz von den immer im Wasser vorhandenen gelösten organischen Verbindungen (hauptsächlich Huminsäuren aus der Zersetzung organischer Materie, Bodenausschwemmung, usw.). Nebenbei bemerkt sind Bodensedimente und Schwebeteilchen nicht nennenswert fluoreszent. Dr. Mazel schrieb: „Außerdem ging ein sehr schwaches Leuchten vom Wasser selbst aus (nicht von den gelösten Stoffen) welches durch die sogenannte „Raman-Streuung“ zustande kam. Dies ist keine Fluoreszenz und würde auch nicht dieses charakteristische »Wasserleuchten« hervorrufen, welches in deinem ausgezeichneten Foto zu sehen ist. Dieser Schein wäre eher ein schwaches Purpur, und nur auf sehr kurze Distanz überhaupt sichtbar“. Siehe dazu „The inherent visible light signature of an intense underwater ultraviolet light source due to combined Raman and fluorescence effects“ [10] sowie die Abb. 3.

[Abb. 3]
Abb. 3 - Intensiver Strahl UVA-Licht (365 nm) unter Wasser

Durch Messungen von Emissions- und Exzitationsspektren an GFP entdeckte Dr. Mazel ca. 1990-1992, daß das bis dahin allgemein verwendete ultraviolette Licht nicht die effektivste Wellenlänge zur Anregung der Fluoreszenz ist, und entwickelte daraufhin die heutige moderne Form des Fluoreszenztauchens mit blauem Licht und Gelbfiltern [11].

1999 gründete er das Unternehmen NightSea, um diese Technik einem größeren Anwenderkreis (neben Enthusiasten und Forschungsinstituten auch der Industrie, für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung oder Non-Destructive Testing (NDT), siehe BlueLine NDT) zugänglich zu machen.

Ab 2007 baute Prof. Dr. Horst Grunz, basierend auf den von Dr. Mazel entwickelten Prinzipien, sogenannte HiTec-Fluoreszenzleuchten mit Hilfe von blauen Hochleistungs-LEDs, die es erlauben, mehrere Quadratmeter eines Korallenriffs auf einmal zu untersuchen (siehe DiveMaster Nr. 64 Heft 2010/02 S. 17-22). Dies ist im Rahmen von Riffschutzbemühungen von besonderem Interesse - dazu später noch mehr.

Im Herbst 2010 begann der Autor, angeregt durch den Bericht von Sir Arthur C. Clarke in seinem SF-Roman „Die Delphininsel“ [8], mit dem Bau von Fluoreszenzleuchten, da er keine kommerziell erhältlichen UV-Unterwasserleuchten finden konnte. Um dem gewählten Vorbild so nahe wie möglich zu kommen, verwendete der Autor zunächst ausschließlich UV-LEDs, und baute Lampen mit zunehmender Leistung, erst mit einer LED mit ca. 395-410 nm und einem Watt, dann eine Lampe mit zwei LEDs vom Marktführer Nichia mit 365 nm und ca. 6 Watt, und zuletzt eine Lampe mit vier vierfach LEDs (also sechzehn einzelnen LEDs entsprechend) von Nichia mit 365 nm und zusammen etwa 46 Watt.

Später erwarb und baute der Autor dann auch Blaulichtlampen mit bis zu etwa 90 Watt. Auf der Seite http://sb.fluomedia.org/fluolinks/ sind alle diese Selbstbauprojekte und ihre Ergebnisse dokumentiert, darüber hinaus enthält die Seite alle nur erdenklichen Links und Informationen zum Thema Fluoreszenztauchen und Eigenbau von Fluoreszenzleuchten.

Im Mai 2012 gründete der Autor zusammen mit dem Tauchlehrer und Physiker Lynn Miner aus den USA das Unternehmen www.FireDiveGear.com, sowie (aus praktischen Gründen) www.FluoMedia.org im Dezember 2013, um Interessenten hochwertige aber preisgünstige Ausrüstung für das Fluoreszenztauchen anbieten zu können, und um so den Einstieg in diese faszinierende Welt zu erleichtern.

Leuchttechnik

Wie bereits oben angedeutet, wurde früher zur Beobachtung der Fluoreszenz von Lebewesen ausschließlich ultraviolettes Licht verwendet. Dazu wurde meist eine weiße Lichtquelle, z.B. eine Bogenlampe (die einen besonders hohen Anteil an UV-Licht hat), mit Hilfe eines sogenannten „Wood's Glass“ Filters [6] in eine UV-Lichtquelle umgewandelt. Tauchern sind solche Bogenlampen übrigens auch unter dem Namen HID- (High Intensity Discharge) Lampen wohlbekannt.

Alternativ wurden Quecksilberdampflampen („Quarzlampen“) eingesetzt [12]. Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen sind nichts anderes als Quecksilberdampflampen mit einer zusätzlichen Phosphorbeschichtung an der Innenseite, die das UV-Licht der Quecksilberdampfentladung in sichtbares Licht umwandelt (dies wird uns übrigens in einem anderen Zusammenhang später in diesem Artikel noch interessieren). Schwarzlichtlampen, wie sie z.B. aus Diskotheken bekannt sind, sind einfach nur Leuchtstoffröhren ohne eine solche Phosphorbeschichtung (jedoch mit einer anderen Art von Beschichtung, um nur „weiche“ UV-A Strahlung zu erzeugen und Reste sichtbaren Lichts wegzufiltern).

Der „Wood's Glass“ Filter ist ein konventioneller Absorptionsfilter, bestehend aus einem speziellen Barium-Natrium-Silikat-Glas mit einem Gehalt von ca. 9% Nickeloxid [6], welcher die wegzufilternden Wellenlängen des Lichts auffängt und in Wärme umwandelt. Dadurch sind Absorptionsfilter (z.B. für Bühnenscheinwerfer) anfällig gegen Splittern durch Temperatursprünge (bei Glasfiltern) oder Schmelze (bei Kunststofffiltern).

Die modernere Form von Filtern besteht aus einem durchsichtigen Substrat, auf welches im Vakuum mehrere Kunststoffschichten unterschiedlicher Dicke und mit unterschiedlichen optischen Brechungsindizes aufgebracht werden - ähnlich der Entspiegelung auf Brillengläsern. Das gleiche Prinzip ruft auch die bekannten schillernden Farben eines Öl- oder Benzinfilms auf einer Wasserpfütze hervor. Die verschiedenen Schichten führen bei geeigneter Wahl dazu, daß Licht bestimmter Wellenlänge reflektiert wird, während andere Wellenlängen ungehindert passieren können.

Solche Filter nennt man Interferenzfilter oder Dichroische Filter (siehe Abb. 4). Der große Vorteil dieser Filter ist, daß sich ihre spektralen Eigenschaften bei der Herstellung sehr genau kontrollieren lassen, und daß sich diese Filter im Betrieb nicht erhitzen. Ihr Nachteil ist der höhere Preis.

[Abb. 4]
Abb. 4 - Dichroische oder Interferenzfilter verschiedener Form und Größe

Es gibt übrigens auch Dichroische Filter mit denselben spektralen Eigenschaften wie das ursprüngliche „Wood's Glass“, die dann auch so heißen. Dies führt manchmal zu Verwirrungen.

Dichroische Filter sind nur auf einer Seite beschichtet, aber es ist trotzdem für die Filterwirkung völlig unerheblich, welche Seite davon der Lichtquelle zugewandt ist. Aus mechanischen Gründen (Schutz vor Verletzung der Beschichtung) kann es dagegen sinnvoll sein, beide Seiten unterscheiden zu können. Dies gelingt sehr einfach dadurch, daß man ein weiches und stumpfes Objekt gegen den Filter hält. Berühren sich Objekt und Spiegelbild, handelt es sich um die beschichtete Seite, besteht zwischen beiden ein Abstand (von der Dicke des Substrats), handelt es sich um die unbeschichtete Seite.

Mit Hilfe von Filtern, vorzugsweise von Dichroischen Filtern, lassen sich weiße Lichtquellen (wie Tauchlampen und Blitzgeräte) für den Gebrauch als Fluoreszenzleuchte herrichten, sei es mit „Wood's Glass“ Filtern für ultraviolettes Licht, oder mit anderen Filtern für blaues Licht.

Seit der Entwicklung der blauen und ultravioletten LED (sowie eines blauen Lasers) durch Professor Shuji Nakamura bei der Firma Nichia in Japan ab 1993 [13] ist dies jedoch nicht mehr nötig (außer bei Blitzgeräten), vor allem seit der Entwicklung von Hochleistungs-LEDs mit diesen Wellenlängen.

Die Verwendung von blauen oder ultravioletten LEDs ist wesentlich effizienter als die Umwandlung von weißem in blaues oder ultraviolettes Licht, wobei ein großer Teil der Lichtausbeute verlorengeht.

Wie bereits oben erwähnt stellte Dr. Mazel während seiner Untersuchungen jedoch fest, daß UV-Licht nicht besonders effizient ist zur Anregung der Fluoreszenz. Aus seinen Messungen [11] läßt sich ablesen, daß blaues Licht der Wellenlänge von ca. 450-470 nm ungefähr viermal so effizient ist bei der Anregung der Fluoreszenz von GFP als das nahe Ultraviolett.

Der Nachteil von blauem Licht ist jedoch, daß es - anders als UV-Licht - für das menschliche Auge sichtbar ist und das verhältnismäßig schwache Phänomen der Fluoreszenz in der Regel völlig überstrahlt.

Dies ist der Grund, warum zum Fluoreszenztauchen unbedingt gelbe Maskenfilter (und ggfs. gelbe Kamerafilter) gehören, die das blaue Licht wegfiltern und so für das Auge unsichtbar machen (siehe Abb. 5).

[Abb. 5]
Abb. 5 - Tauchmaske des Autors mit Gelbfilter

Eine gute Überdeckung der Tauchmaske durch den Gelbfilter sorgt dafür, daß kein störendes Blaulicht durch etwaige Ritzen fallen und den Eindruck beeinträchtigen kann. Die relativ schmale Aussparung für den Nasenerker der Maske sorgt dafür, daß der Gelbfilter nicht andauernd verrutscht. Der Maskenband-Neoprenüberzug sorgt dafür, daß der Gelbfilter nicht verlorengehen kann, selbst wenn man ihn zwischenzeitlich (z.B. zur besseren Orientierung) auf die Stirn hochschiebt. Außerdem kann er zur geschützten Aufbewahrung des Filters dienen sowie zur leichteren Erkennung von Tauchern oder Buddy-Teams, besonders wenn er wie der hier gezeigte fluoreszent ist und jedem Taucher oder Buddy-Team eine andere Farbe zugewiesen wird.

Da das Licht der Fluoreszenz längere Wellenlängen (in den Farben grün, gelb, orange und rot) aufweist als das zur Anregung verwendete Licht, wird es vom Gelbfilter nicht beeinträchtigt, und man bekommt nur die Fluoreszenz zu sehen, nicht jedoch das zur Anregung verwendete blaue Licht. Zumindest im Prinzip - kleine Reste stark abgeschwächten blauen Lichts verbessern sogar die ästhetische Gesamtwirkung [14] (wobei nicht ganz klar ist ob es sich nicht sogar um blaue Fluoreszenz handelt - die gleichen blauen Spitzen sieht man nämlich auch unter UV-Licht). Siehe dazu Abb. 6.

[Abb. 6]
Abb. 6 - Fluoreszierende Koralle mit leichtem Blauanteil

Die genauen spektralen Eigenschaften dieser Gelbfilter zu beschreiben würde hier zu weit führen, außerdem stellen sie natürlich üblicherweise ein streng gehütetes Betriebsgeheimnis des jeweiligen Herstellers dar. Daher genüge es hier festzuhalten, daß die Leuchtmittel idealerweise eine Wellenlänge von ca. 450-470 nm haben sollten, und die Gelbfilter entsprechend einen Übergang zwischen „Sperren“ und „Durchlassen“ bei etwa 500 nm haben sollten, der dafür sorgt, daß alles blaue (und ultraviolette) Licht blockiert wird und alle anderen Wellenlängen durchgelassen werden.

Um überhaupt Fluoreszenz beobachten zu können, sind die genauen spektralen Eigenschaften der Gelbfilter jedoch nicht so ausschlaggebend; die erzielten Ergebnisse können jedoch stark von den bekannten, mit optimal angepaßten Filtern erzielten Vorbildern abweichen. Falls ausschließlich Grün- und Rottöne vorherrschen, so liegt das am Gelbfilter, der dann gegen ein anderes geeigneteres Material ausgetauscht werden sollte.

Die von Dr. Mazel ausgearbeitete Technik verwendet neben den obligatorischen Gelbfiltern für Maske und Kamera auch noch einen Dichroischen Blaufilter vor der Blaulichtleuchte (vor Blitzlichtgeräten sowieso) - siehe Abb. 7. Dies mag auf den ersten Blick befremden, denn wozu noch einen Blaufilter auf einer Lampe, die sowieso nur blaues Licht erzeugt?

[Abb. 7]
Abb. 7 - Lampe des Autors mit 18 blauen Cree LEDs und Dichroischem Blaufilter

Des Rätsels Lösung liegt darin, daß Blaulicht-Leuchten (wie alle Lampen) in Wahrheit ein sehr breites Spektrum an Wellenlängen erzeugen, d.h. daß das von ihnen erzeugte Licht nicht monochromatisch (einfarbig) und nicht kohärent (gleichphasig) ist wie z.B. das Licht eines Lasers. Um jedoch das blaue Exzitationslicht sauber vom Fluoreszenz- oder Emissionslicht trennen zu können, ist dieser zusätzliche Filter wichtig.

Dieser hat - genau wie der verwendete Gelbfilter - einen Übergang zwischen „Sperren“ und „Durchlassen“ bei etwa 500 nm, jedoch genau umgekehrt zum Gelbfilter: Er läßt nur blaues (und ultraviolettes) Licht passieren und sperrt alle anderen Wellenlängen. Der Blaufilter und der Gelbfilter sind also komplementär, zusammen sperren sie das gesamte sichtbare Spektrum. Die Fluoreszenz wandelt das Licht jedoch aus dem Durchlaßbereich des Blaufilters in den Durchlaßbereich des Gelbfilters um, so daß man die Fluoreszenz sehen kann, und nur diese.

Man erkennt hochwertige Fluoreszenz-Ausrüstung daher auch an diesen golden schimmernden und spiegelnden Filtern (siehe Abb. 4). Dichroische Fillter schimmern dabei stets in der Komplementärfarbe derjenigen Wellenlängen, die der Filter passieren läßt, da die unerwünschten Wellenlängen gespiegelt werden; bei einem Blaufilter also in orange. Ein „Wood's Glass“ Dichroischer Filter schimmert daher silbern, weil er das gesamte sichtbare weiße Spektrum reflektiert (und nur UV-Licht passieren läßt).

Die folgenden Bilder demonstrieren, wie sich das Weglassen dieses Filters auswirkt [15]. Ohne den Filter wirken die Bilder blaß und kontrastarm, außerdem kommt rote Fluoreszenz nur mit dem Filter richtig zur Geltung:

[Abb. 8a] [Abb. 8b]
Abb. 8a - Fluoreszente Korallen #1 ohne Blaufilter Abb. 8b - Fluoreszente Korallen #1 mit Blaufilter
 
[Abb. 9a] [Abb. 9b]
Abb. 9a - Fluoreszente Korallen #2 ohne Blaufilter Abb. 9b - Fluoreszente Korallen #2 mit Blaufilter
 
[Abb. 10a] [Abb. 10b]
Abb. 10a - Fluoreszente Korallen #3 ohne Blaufilter Abb. 10b - Fluoreszente Korallen #3 mit Blaufilter
 
[Abb. 11a] [Abb. 11b]
Abb. 11a - Fluoreszente Korallen #4 ohne Blaufilter Abb. 11b - Fluoreszente Korallen #4 mit Blaufilter

Manche Hersteller verwenden hingegen andere Wellenlängen als Blau, näher am UV-Bereich, um die 400 nm, und andere Filter (z.B. der französische Hersteller Dyron oder Plongimage.com), erzielen damit aber ebenfalls ganz beachtliche Aufnahmen. Es gibt also keine „absolute Wahrheit“ oder richtige und falsche Lampen und Filter, aber die Ergebnisse weichen oft stark voneinander ab. Zumindest sollten alle Filter immer gut auf die verwendeten Lampen abgestimmt sein.

Es gibt jedoch beispielsweise Korallen, die unter UV-Licht (365 nm) überhaupt nicht fluoreszieren, unter blauem Licht (450-470 nm) dagegen schon.

Beachten sollte man außerdem, daß ultraviolette LEDs (mit 365 nm) wesentlich teurer sind (etwa viermal so teuer) als blaue LEDs mit derselben elektrischen Leistung, ultraviolette LEDs jedoch eine etwa viermal geringere optische Leistung (Lichtausbeute) aufweisen. Zusammen mit der Tatsache, daß gemäß Dr. Mazel [11] UV-Licht etwa viermal weniger effektiv ist zur Stimulation der Fluoreszenz als blaues Licht, bei gleicher Energie, bedeutet dies, daß UV LEDs etwa sechzehnmal weniger effizient sind zur Stimulation der Fluoreszenz von GFP als blaue LEDs, bei gleicher elektrischer Leistung, für einen viermal so hohen Preis. Mit anderen Worten, es würde etwa vierundsechzigmal so viel kosten, um mit UV LEDs die gleichen Ergebnisse zu erzielen wie mit blauen LEDs.

Interessanterweise fällt die effektivste Wellenlänge zur Stimulation der Fluoreszenz von GFP, ca. 450-470 nm, mit der Wellenlänge der größten Transparenz von Wasser zusammen, welches für blaues Licht wesentlich durchlässiger ist als für jede andere Wellenlänge, UV-Licht eingeschlossen. Dies ist sicherlich kein Zufall, sondern stellt höchstwahrscheinlich eine Anpassung der Meereslebewesen an die Eigenschaften ihres Lebensraums Wasser im Laufe der Evolution dar, da ab einer gewissen Tiefe blaues Licht das einzige ihnen zur Verfügung stehende Licht ist.

Biologie und Ökologie (Riffschutz)

Fluoreszenz wird im Meer nicht nur bei Korallen, sondern auch bei unzähligen anderen Arten von Lebewesen beobachtet (z.B. Manteltiere, Krebse, Schwämme, Anemonen, Quallen, Muscheln, Nacktschnecken, Kopffüßer, Garnelen, Krabben, Würmer, Fische). Auch im Süßwasser gibt es fluoreszente Tiere, zum Beispiel Grottenolme [16]. Das für die Photosynthese verantwortliche grüne Chlorophyll der Pflanzen ist ebenfalls fluoreszent, es fluoresziert rot oder - bei manchen Algen - orange.

Bei dieser Fülle von nicht miteinander verwandten Tieren ist es unwahrscheinlich, daß das Phänomen der Fluoreszenz lediglich ein Beiprodukt ist (wie im Falle des Chlorophylls bei Pflanzen). Vielmehr muß diesem Phänomen ein Nutzen innewohnen. Leider ist noch kaum erforscht, worin der Nutzen der Fluoreszenz für diese Tiere bestehen könnte.

Es gibt allerdings einige Hypothesen und Hinweise:

Es gibt Hinweise, daß Fluoreszenz die Korallen gegenüber zu starker Sonneneinstrahlung schützt, vor allem im UV-Bereich, also wie eine Art Sonnenschutzcreme wirkt.

Eine andere Hypothese lautet, daß die Fluoreszenz von Korallen das in der Tiefe einzige verbleibende Licht, Blau, in diejenigen Farben des Spektrums unwandelt, die die symbiotischen Algen der Korallen zur Photosynthese verwenden können, was den Korallen die Besiedlung größerer Tiefen erlaubt als ohne Fluoreszenz, und ihnen somit einen Überlebensvorteil gegenüber anderen Korallen verschafft.

Bei Fischen wurde vermutet, daß deren Fluoreszenz sie vor dem Hintergrund fluoreszenter Korallen für Räuber weniger sichtbar macht, da sie sich dann farblich vom Hintergrund weniger abheben.

Neuere Forschungsergebnisse von Prof. Nico K. Michiels von der Universität Tübingen et al. („Red fluorescence in reef fish: A novel signalling mechanism?“ [17]) deuten darauf hin, daß Fische rote Fluoreszenz zur Kommunikation untereinander verwenden. Es war bereits vorher bekannt, daß Fische in der Lage sind, ihre Körperfärbung zu verändern (ähnlich wie Tintenfische, Kraken und Kalmare), und daß sie dies zur Kommunikation einsetzen. Die willkürlich gesteuerte Fluoreszenz zu Kommunikationszwecken ist jedoch eine neue Erkenntnis. Außerdem ist dies erstaunlich, weil nicht alle Fische Rot überhaupt sehen können. Es scheint sich also um spezielle, im Laufe der Evolution entwickelte „geheime“ Kommunikationskanäle zu handeln. Eine solche Änderung der Fluoreszenz innerhalb weniger Sekunden wird im Video Fluorescent Goatfish von Liquid Motion Film demonstriert.

Siehe dazu auch die (mehrfach preisgekrönte) für National Geographic produzierte dreiteilige Fernsehreihe „Water Colours“ von Anita & Guy Chaumette/Liquid Motion Film [18]. Die drei DVDs „Fisheye Illusion“, „A Colourful Language“ und „A Touch of Fluorescence“ (3x50 Minuten) sind direkt von den Autoren zu beziehen für insgesamt €45 plus Versand (aus GB). Siehe außerdem die Vorschauen (jeweils ca. 8 Minuten) dieser drei DVDs Fisheye Fantasea, Colour Talks und Beyond The Blue sowie die Vorschau The Significant Others einer zukünftigen neuen Serie. Der mittlere Teil „Im Farbrausch der Tiefe - Farbe als Sprache“ ist auch auf Deutsch in drei Stücke geteilt auf YouTube zu finden [19][20][21]. Der dritte Teil namens „A Touch of Fluorescence“ ist hauptsächlich der Fluoreszenz gewidmet, insbesondere der Fluoreszenz in der Tiefsee, und enthält einige außerordentlich spektakuläre Aufnahmen [22].

Eine kleine Sensation ist ein anderes jüngstes Forschungsergebnis (Lukyanov et al. [23]): Demnach können fluoreszente Proteine als Elektron-Donor, d.h. Elektron-Spender wirken, wenn sie durch Licht angeregt werden - genauso wie es das bei Pflanzen für die Photosynthese zuständige Chlorophyll tut, als dem ersten notwendigen Schritt der Photosynthese.

Könnte dies bedeuten, daß die alte Definition und Schulweisheit, daß sich nämlich Pflanzen und Tiere dadurch unterscheiden, daß Pflanzen zur Photosynthese fähig sind und Tiere nicht, nicht mehr gilt?!

Zumindest eines wird sich jedoch nicht ändern: Selbst wenn Tiere zur Photosynthese fähig sein sollten, können sie jedoch weiterhin im Unterschied zu den Pflanzen nicht ausschließlich davon leben. Außerdem darf nicht vergessen werden, daß andere Formen der Photosynthese bei Tieren durchaus bekannt sind: So produziert beispielsweise der Mensch mit Hilfe von Sonnenlicht in seiner Haut das Vitamin D.

Wie bereits weiter oben erwähnt, erlauben Fluoreszenzleuchten mit Hochleistungs-LEDs (wie die von Prof. Dr. Horst Grunz und des Autors) das Ausleuchten größerer Riffareale auf einmal. Dies hat das Potential, die mühsame und zeitraubende Erfassung der Gesundheit eines Riffs anhand der manuellen Bestimmung und Auszählung von Korallen unter Wasser entlang einer oder mehrerer ausgelegter Transekt-Maßbänder durch geschulte Meeresbiologen (Stichwort „Reef Check“ [24]) zu ersetzen.

Von Krankheiten oder Fraß befallene, abgestorbene oder abgebrochene Korallen sowie Zonen des Konkurrenzkampfes zwischen Korallen lassen sich damit schon von weitem feststellen, in der Regel anhand von Änderungen der Fluoreszenzfarben, am Fehlen der Fluoreszenz (bei toten Korallen) oder intensiver roter Fluoreszenz durch Algenüberwucherung.

Kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse belegen, daß sich auch die relative Gesundheit von Korallen anhand ihrer Fluoreszenz abschätzen läßt: „Effects of cold stress and heat stress on coral fluorescence in reef-building corals“ [25].

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung von Fluoreszenzleuchten mit Hochleistungs-LEDs besteht darin, daß sich damit sogenannte „Coral Recruits“, d.h. Neuansiedlungen von Korallenlarven, die sich dabei in erwachsene Tiere umwandeln [26], besonders leicht und schon aus großer Entfernung entdecken lassen. Dies gelingt ansonsten selbst Fachleuten nur mit großer Mühe und aus nächster Nähe, da die Korallenrekruten in der Regel transparent und winzig klein sind.

Korallenrekruten sind von ganz wesentlicher Bedeutung für das Gleichgewicht zwischen Abbau durch Predation (Fraß, z.B. durch Papageienfische, Dornsterne und Schnecken wie Drupella und Coralliophila), schädliche Umweltfaktoren (z.B. globale Erwärmung, Umweltverschmutzung, unachtsame Schnorchler und Taucher), Krankheiten (z.B. Korallenbleiche) usw. einerseits, und dem Aufbau durch nachfolgende Generationen andererseits, und somit auch für die Abschätzung der Regenerationsfähigkeit eines Riffs trotz vorhandener Beschädigungen.

Die Abb. 12 zeigt Korallenrekruten unterschiedlichen Alters, d.h. unterschiedlicher Entwicklungsgrade und somit Größe von verschiedenen Arten:

[Abb. 12]
Abb. 12 - Korallenrekruten unterschiedlicher Entwicklungsgrade und verschiedener Arten

Das „Red Sea Environmental Centre“ (RSEC, www.redsea-ec.org) in Dahab/Sinai/Ägypten (unter deutscher Leitung) bietet übrigens Projekte, Volontariate und Betreuung von Diplomarbeiten usw. zur Riffökologie einschließlich Fluoreszenz-Nachttauchgängen an.

Es gibt jedoch unter vielen Tauchern und selbst Fachleuten Befürchtungen, daß starke UV- oder Blaulichtlampen die Unterwasserlebewesen beeinträchtigen könnten.

Generell ist dazu zu sagen, daß alle Formen von nächtlicher Beleuchtung die Unterwasserlebewesen stören und möglicherweise ihre zirkadianen Rhythmen verändern können. Manche gehen sogar so weit zu vermuten, daß dies ihre Fortpflanzungszyklen stören könnte. Auf jeden Fall gibt es manche Fische (z.B. Papageienfische), die sich nachts aus Schleim ein „Nest“ bauen. Werden diese Fische nachts geweckt und zur Flucht getrieben, können sie keine neue Hülle mehr produzieren und müssen den Rest der Nacht ohne diesen Schutz vor Räubern und Parasiten überstehen.

Wie eingangs im geschichtlichen Überblick bereits erwähnt, sind Aquarien mit „Aktinischer Beleuchtung“, d.h. Beleuchtung mit UV- und/oder Blaulicht, seit 1959 eine fortwährende Attraktion.

Aquarianer benutzen für ihre Aquarien leistungsstarke Lampen, die das gesamte sichtbare Spektrum und den nahen UV-Bereich abdecken. Diese Lampen verwenden mehrere der stärksten UV- und Blaulicht-LEDs, die es zur Zeit auf dem Markt gibt. Eine dieser Lampen erreicht beispielsweise eine Gesamtleistung (einschließlich Lüfter) von maximal 170 Watt [27]. Die Leistung dieser Lampe im blauen und ultravioletten Bereich ist vergleichbar mit den stärksten für die Unterwasser-Fluoreszenz verwendeten Lampen oder sogar noch stärker. Außerdem muß man bedenken, daß diese Lampen dicht über dem Aquarium angebracht sind, die Korallen und Fische darin also aus nächster Nähe bescheinen, und daß diese Lampen mehrere Stunden am Tag in Betrieb sind.

Es ist daher unwahrscheinlich, daß Fluoreszenzleuchten unter Wasser nennenswerten Schaden anrichten können, vor allem da diese beim Fluoreszenztauchen meistens nur wenige Sekunden, maximal einige Minuten, auf ein- und demselben Fleck verharren. Sollten diese Lampen erkennbaren Schaden anrichten, hätten Aquarianer dies längst bemerkt.

Ganz hiervon abgesehen sind die Energien all dieser Lampen wesentlich geringer als die Energien, die mittels des natürlichen Sonnenlichts täglich auf die Unterwasserlebewesen bis in die Tiefen einwirken, in denen Sporttaucher sich meistens aufhalten (in der Regel maximal 40 m).

So große Tiefen sind jedoch gar nicht nötig, da sich oft schon im Flachen (z.B. 2 bis 10 Meter) und selbst an Hausriffen fluoreszente Organismen in Hülle und Fülle finden lassen, was erfreulich lange und einfachere Tauchgänge erlaubt.

Praxis und Tips

Obwohl manche Menschen zunächst glauben mögen, beim Fluoreszenztauchen handle es sich lediglich um das altbekannte Phänomen der Biolumineszenz, also das Aufleuchten des mikroskopischen Planktons, wenn das Wasser bewegt wird, oder um Nachttauchgänge nach dem Verzehr von halluzinogenen Pilzen [28] (eine höchst gefährliche Idee, aber vielleicht die angenehmste Art zu Ertrinken!), so handelt es sich doch in Wahrheit um keines von beiden.

Die Erfahrung des Fluoreszenz-Nachttauchens ist mit Worten nur äußerst unzulänglich zu beschreiben. Wie eingangs erwähnt erinnert es viele Menschen an den Film „Avatar“; manche nennen es auch eine psychedelische Unterwasserdisko mit Neonbeleuchtung, weil die Korallen und sonstigen Unterwasserlebewesen unter dem Schein der Fluoreszenzleuchten teilweise bereits auf große Entfernung hin aufleuchten wie Neonreklamen in allen möglichen Farben.

Andere verweisen auf die Tatsache, daß normale Nachttauchgänge bereits Dinge erleben lassen, die tagsüber verborgen sind, und daß mit Hilfe des Fluoreszenztauchens Dinge zum Vorschein kommen, die selbst bei einem normalen Nachttauchgang verborgen bleiben, daß es sich also um eine verborgene Welt hinter einer verborgenen Welt handelt.

Es ist in der Tat so, daß viele Lebewesen, die man sonst nie zu Gesicht bekommt, weder tagsüber noch nachts, z.B. weil sie entweder transparent, zu gut versteckt und/oder zu gut getarnt sind, dank ihrer Fluoreszenz geradezu hervorstechen.

Wer es selbst noch nicht erlebt hat, dem vermittelt möglicherweise das folgende Video des Autors eine gute Vorstellung: http://www.fluomedia.org/gallery/videos/?6 (9:11)

Man findet jedoch nicht nur an tropischen Korallenriffen, sondern auch in kalten Gewässern wie z.B. der Nordsee viele fluoreszente Lebewesen: http://www.fluomedia.org/gallery/videos/?5 (2:49)

Um bei Fotoaufnahmen im schwachen Fluoreszenzlicht Bewegungsunschärfe („Verwackeln“) zu vermeiden, kann es sinnvoll sein, bewußt zwei oder drei Stufen unterzubelichten, um so kürzere Belichtungszeiten zu ermöglichen. Die Unterbelichtung läßt sich, falls nötig, später mit Hilfe eines Bildbearbeitungsprogramms ohne Schwierigkeiten korrigieren.

Um nicht mehrere große und schwere Lampen mit sich führen zu müssen, oder aus Kostengründen, verzichten manche Menschen lieber auf Effizienz und verwenden Weißlichtlampen mit einem Dichroischen Blaufilter (oder nur Blitzlichtgeräte mit einem Dichroischen Blaufilter), den sie mittels einer abnehmbaren Fassung auch unter Wasser nach Belieben abnehmen und wieder aufsetzen können.

Dank auf dem Markt erhältlicher Phosphor-Filter ist jedoch auch das Gegenteil möglich, so daß man für die Fluoreszenz-Fotografie keinerlei Kompromisse eingehen muß und durch Aufsetzen eines solchen Phosphor-Filters eine Blaulichtlampe zu einer Lampe mit weißem Licht machen kann. Das ist dasselbe bereits eingangs erwähnte Prinzip wie bei der Leuchtstoffröhre. Man verliert zwar in jedem Fall etwas an Leuchtkraft, und der Phosphor-Filter wirkt außerdem wie ein Diffusor (wandelt also eine „spot“-Lampe in eine „flood“- oder Flutlichtlampe um), aber zur Navigation oder Weißlichtfotografie reicht das sicherlich, wenn die Blaulichtlampe ausreichend stark ist (was für Nachtaufnahmen sowieso immer von Vorteil ist). Siehe dazu auch Abb. 13.

[Abb. 13]
Abb. 13 - Blaulichtlampe mit abnehmbarem Phosphor-Filter

Der einzige Nachteil besonders starker Fluoreszenzlampen besteht möglicherweise darin, daß die dadurch angeregte starke Fluoreszenz auch andere Objekte beleuchtet, die in Wahrheit nicht selbst fluoreszieren. Das erleichtert zwar sicherlich die Fotografie durch die größere allgemeine Helligkeit, kann aber zu einem verfälschten Eindruck führen, welche Objekte denn nun tatsächlich fluoreszieren.

Die folgende Abb. 14 zeigt die heutige Kameraausrüstung des Autors, bestehend aus einer digitalen Kompaktkamera Nikon CoolPix P300, einem passenden Ikelite-Unterwassergehäuse, Ikelite-Tray und -Arme, sowie auf dem TillyTec-System und -Akku basierenden selbstgebauten Lampen. Die Trinkflaschen dienen als nicht komprimierbare Auftriebskörper (im Gegensatz zu Schaumstoffauftriebskörpern, beispielsweise), deren Auftrieb durch Einfüllen von Luft und Wasser sehr leicht an verschiedene Kamera- und Lampenkonfigurationen angepaßt werden kann, zur Not auch unter Wasser. Diese Idee geht zurück auf Prof. Dr. Horst Grunz [29][30].

[Abb. 14]
Abb. 14 - Kameraausrüstung des Autors

Da reflektiertes Blaulicht durch den Gelbfilter weggefiltert wird, ist die Fluoreszenz-Fotografie nicht so empfindlich gegenüber „Backscatter“, also an Schwebstoffen im Wasser zurückgeworfenes Licht, außer wenn diese Schwebstoffe selbst signifikant fluoreszieren, was bei Weißlichtfotografie dagegen immer als „Schnee“ im Bild sichtbar ist. Daher müssen die Blaulichtlampen auch nicht so weit weg von der optischen Achse der Kamera montiert werden wie z.B. Blitzlichtgeräte bei der Weißlichtfotografie, mit ihren oft weit ausladenden Armen.

Manche Leser mögen sich fragen (so ging es zumindest dem Autor anfangs), was bei der Fluoreszenz-Fotografie denn die „richtige“ Einstellung für den Weißabgleich ist. Da jedoch auf kurze Entfernungen fotografiert wird, spielt die Absorption durch das Wasser keine große Rolle (übrigens auch nicht bei der Fotografie mit weißen Lampen), so daß der automatische Weißabgleich ohne Bedenken verwendet werden kann. Dr. Charles Mazel beispielsweise verwendet jedoch lieber die Einstellung „bewölkt“, da ihm die Ergebnisse damit besser gefallen.

Fortsetzung

Für eine Fortsetzung und Vertiefung sowie weitere Details zur Unterwasser-Fluoreszenz siehe den Artikel Biologie der Unterwasser-Fluoreszenz.

Kontakt

Bei Fragen steht der Autor gerne zur Verfügung.

Kontakt über:

Steffen Beyer <sb@fluomedia.org>

Kurzbiografie

Der Autor, Jahrgang 1964, verheiratet, zog schon mit ca. 6 Jahren das Tauchen dem Schwimmenlernen vor, da es viel leichter und angenehmer war (z.B. kein Wasserschlucken und keine Genickstarre). Die Bücher von Hans Hass und Jacques-Yves Cousteau in der Bibliothek seines Großvaters befeuerten seine Leidenschaft für das Meer und das Tauchen (und für Delphine). Während seines Studiums der Informatik und Biologie (mit Schwerpunkt Ökologie und Verhaltenskunde) an der RWTH Aachen machte er 1988 seinen ersten Tauchschein, und 1989 seine ersten beiden Freigewässertauchgänge in Key West, Florida. Nach seinem Studium war er viele Jahre als Software-Ingenieur sowohl in der Industrie als auch im Bereich der Freien Software tätig. Etliche weitverbreitete Perl-Module (z.B. zur Datumsberechnung) stammen von ihm, außerdem war er als technischer Experte als Korrekturleser und Übersetzer einiger Perl-Bücher beteiligt. Seit 2004 arbeitet er als Patentprüfer im Bereich „Computerimplementierte Erfindungen“ (vulgo „Software-Patente“) am Europäischen Patentamt in Den Haag. Und seit 2009 taucht er wieder regelmäßig. Andere Hobbys sind Musik, Skifahren, Lesen, Programmieren, sein Heimnetzwerk administrieren (ermöglicht z.B. Fernsehen auf allen Rechnern, in jedem Raum), Volleyball, Segeln, Reisen, Sprachen (3 Germanische, 3 Romanische, ca. 10 Programmiersprachen), Fotografieren, und mehr.

[Autor]
Bild des Autors

Referenzen

[1] http://sb.fluomedia.org/fluolinks/#Operators
[2] http://sb.fluomedia.org/fluolinks/#Products
[3] https://de.wikipedia.org/wiki/James_Cameron
[4] http://picasaweb.google.com/100247264970625553225/FluoreszenzVonFossilien
[5] http://www.nightsea.com/articles/underwater-fluorescence-history/
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Wood%27s_glass
[7] https://de.wikipedia.org/wiki/Arthur_C._Clarke
[8] http://sb.fluomedia.org/fluolinks/img/Delphininsel_Text.jpg
[9] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/
[10] http://www.psicorp.com/pdf/library/sr-1018.pdf
[11] http://www.nightsea.com/articles/blue-light-for-underwater-fluorescence/
[12] https://de.wikipedia.org/wiki/Quecksilberdampflampe
[13] https://de.wikipedia.org/wiki/Shuji_Nakamura
[14] http://www.fluomedia.org/science/barrierfilters/
[15] http://www.fluomedia.org/science/excitationfilters/
[16] http://picasaweb.google.com/111251440649789339400/KompoljskaJamaUV02#
[17] http://www.biomedcentral.com/1472-6785/8/16/abstract
[18] http://www.liquidmotionfilm.com/WaterColours.html
[19] http://y2u.be/eeyaxMRg808
[20] http://y2u.be/vTFi2On8N-k
[21] http://y2u.be/njGJgyTHJ-w
[22] http://y2u.be/ZSJssJLc2wY
[23] http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/Natural_Function.html
[24] https://de.wikipedia.org/wiki/Reefcheck
[25] http://www.nature.com/srep/2013/130312/srep01421/full/srep01421.html
[26] http://www.reefresilience.org/coral-reefs/reefs-and-resilience/understanding-coral-reef-resilience/recruitment/
[27] http://ecotechmarine.com/products/radion/radion-xr30w-pro/
[28] http://www.alexinwanderland.com/2011/10/26/uv-night-diving-koh-tao/
[29] http://www.uni-due.de/zoophysiologie/aa.guests/FluoreszenzDeuLow.pdf
[30] http://sb.fluomedia.org/fluolinks/media/ZauberweltKorallenriff.pdf

Alle Fotos © 2012 Steffen Beyer, außer die Abbildungen 1, 4, 8a bis 11b und 13 © 2012-2013 Lynn Miner, mit freundlicher Genehmigung.

Weitere Abbildungen

[Abb. 15]
Abb. 15 - Skorpionfisch

[Abb. 16]
Abb. 16 - Baby-Skorpionfisch

[Abb. 17]
Abb. 17 - Einsiedlerkrebs

[Abb. 18]
Abb. 18 - Anemonen

[Abb. 19]
Abb. 19 - Federstern

[Abb. 20]
Abb. 20 - Seenadel

[Abb. 21]
Abb. 21 - Seeigel

[Abb. 22]
Abb. 22 - Feuerkoralle mit Haarstern

[Abb. 23]
Abb. 23 - Koralle

[Abb. 24]
Abb. 24 - Koralle

[Abb. 25]
Abb. 25 - Koralle

[Abb. 26]
Abb. 26 - Hirnkoralle

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